CN115489294A - 一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，包括液态有机氢载体、氢内燃机、氢燃料电池、脱氢反应器、氢气分配装置和热量交换系统。液态有机氢载体可以实现对氢气的存储和释放，为车辆提供氢气；氢内燃机和氢燃料电池可以同时为车辆提供混合动力，也可交替运行为车辆提供动力，脱氢反应器用于氢载体进行脱氢反应生成氢气；氢气分配器用于将氢气合理分配至氢内燃机和氢燃料电池；热量交换系统可以将氢内燃机余热传递至脱氢反应器维持脱氢反应的进行。本发明可以实现基于液态有机氢载体储氢技术为车辆提供动力，并减少氢气直接燃烧为脱氢反应器供热所造成的能量损失，提高系统运行效率和车辆输出动力。

Description

一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，具体涉及一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统。
背景技术
未来，氢能在交通领域的应用将逐步推进，形成燃料电池汽车与充电电池汽车互补发展的格局。目前，在所推出的燃料电池汽车中，普遍采用高压气瓶储存氢气，氢气存储压力达到35～70MPa，质量储氢密度为1.1％～4.3wt％。采用高压气瓶存储氢气对汽车行驶中的安全性带来了很大的挑战，并且由于其质量储氢密度较低，气瓶体积占据了大量车内空间，另外，高压气体储氢也需要配套专门的氢气输送设施和加氢站，初期基础设施建设耗费巨大。
采用液态有机氢载体储存氢气可以解决高压气体储氢所带来的一系列问题，实现氢气在常温常压下的稳定存储，并且其质量储氢密度高，达到6.5wt％以上。液态有机氢载体可兼容当前石油化工设备，采用加油站即可加注，无需额外增加基础设施建设。液态有机氢载体的不足之处在于其脱氢反应为放热反应，将其应用于车载系统为燃料电池供氢时，需要外部热源供热。而如果直接将脱氢反应产生的氢气燃烧为脱氢反应供热，将造成大量的能量损失，降低系统运行效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术问题，提出一种能够实现车载液态有机氢载体脱氢，并提升系统效率的混合动力系统。
为达到上述目的，本发明所述一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，包括氢化物与氢载体储箱，氢化物预热器，脱氢反应器，氢气分配装置，氢内燃机、氢燃料电池和热量交换系统；所述氢化物与氢载体储箱的氢化物出口通过第一管路与氢化物预热器的冷流体入口连接，氢化物预热器的冷流体出口通过第二管路与脱氢反应器的进料口连接；脱氢反应器的氢载体出口通过第三管路与氢化物预热器的热流体入口连接；氢化物预热器的热流体出口通过第四管路与氢化物与氢载体储箱的氢载体入口连接；脱氢反应器的气相出口通过第六管路与氢气压缩机的入口连接，氢气压缩机的出口通过第八管路与氢气分配装置的入口连接，氢气分配装置的第一出口通过第九管路与氢内燃机连接，氢气分配装置的第二出口通过第十管路与氢燃料电池连接；所述和脱氢反应器之间设置有热量交换系统。
进一步的，氢化物与氢载体储箱包括壳体，所述壳体中设置有氢化物油包和氢载体油包，所述氢化物弹性油包和氢载体油包均由弹性材料制成。
进一步的，氢气分配装置包括氢气缓存罐，信号传感器，第一流量计，第二流量计，第一电磁阀、第二电磁阀和氢气管路；氢气缓存罐通过第九管路和氢内燃机连接，第九管路上安装有第一流量计和第一电磁阀；氢气缓存罐通过第十管路和氢燃料电池连接，第十管路上安装有第二流量计和第二电磁阀；所述信号传感器、第一流量计、第二流量计、第一电磁阀和第二电磁阀均与车辆控制系统连接。
进一步的，热量交换系统包括热交换器、第一气体管路、第二气体管路、第一导热油管路和第二导热油管路，热交换器的热流体入口通过第一气体管路和氢内燃机的进口连接，热流体出口连接第二气体管路；热交换器的冷流体入口通过第一导热油管路和脱氢反应器的进口连接，冷流体出口通过第二导热油管路连接脱氢反应器的内部盘管。
进一步的，第一导热油管路上设置有第三油泵，所述第二导热油管路上设置有第四油泵。
进一步的，氢化物预热器与氢化物与氢载体储箱之间设置有氢载体冷却系统，所述氢载体冷却系统包括第一风机和氢载体冷却器，所述第一风机设置在氢载体冷却器旁。
进一步的，脱氢反应器和氢气压缩机之间设置有氢气冷却系统，所述氢气冷却系统包括第二风机和氢气冷却器，所述第二风机设置在氢气冷却器旁。
进一步的，氢载体为苯，甲苯，萘，咔唑，乙基咔唑，二苄基甲苯，1-甲基吲哚，吖啶，二苯基甲烷，联苯中的一种或几种的混合物。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，通过氢气分配装置将氢气分配至氢内燃机和氢燃料电池，构成车辆的混合动力系统，其中氢内燃机可为车辆提供动力，并将内燃机余热用于为脱氢反应器供热，相比于直接将氢气燃烧为脱氢反应器供热，本发明使得系统能效提升了6.98％～9.27％，车辆输出动力提升了16.4％～27.8％。
本发明的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，采用液态有机氢载体储氢技术，实现了氢气常温常压的稳定储存，并且具有质量储氢密度高，与当前石油化工设备相适应，基础设施建设投入小等优点；能够克服高压气体储氢质量储氢密度小，储氢压力高，需要大规模加氢站建设等方面的不足。
进一步的，氢化物与氢载体储箱包括壳体，所述壳体中设置有由弹性材料制成的氢化物油包和氢载体油包，氢化物油包和氢载体油包可以随着氢化物或氢载体的体积进行收缩或膨胀，能够增大车辆空间的利用率。
进一步的，氢气分配装置包括氢气缓存罐，信号传感器，第一流量计，第二流量计，第一电磁阀、第二电磁阀和氢气管路；氢气缓存罐分别通过第九管路和第十管路与氢内燃机和氢燃料电池连接，第九管路上安装有第一流量计和第一电磁阀，第十管路上安装有第二流量计和第二电磁阀；所述信号传感器、第一流量计、第二流量计、第一电磁阀和第二电磁阀均与车辆控制系统连接；可根据车辆运行情况，通过分配流入氢内燃机和氢燃料电池的氢气的流量，合理选择汽车的动力来源，提高能源利用率。
进一步的，热量交换系统包括热交换器、第一气体管路、第二气体管路、第一导热油管路和第二导热油管路，通过热量交换系统，可将氢内燃机余热传递至脱氢反应器中维持脱氢反应的进行，不用额外设置加热装置，进一步提高了整个系统的能效，而且降低了整个系统的复杂程度。
附图说明
图1是一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统示意图；
图2是氢化物和氢载体储箱示意图；
图3是氢气分配装置示意图；
图4是氢内燃机与脱氢反应器热量交换系统原理示意图；
图5是氢载体冷却系统示意图；
图6是氢气冷却系统示意图；
图7是液态有机氢载体加氢过程示意图；
图8是氢内燃机供热和氢燃烧器供热的系统能效对比图；
图9是氢内燃机供热和氢燃烧器供热的系统输出动力对比图。
附图中，1-壳体，11-氢化物油包，12-氢载体油包。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
液态有机氢载体储氢技术原理是通过不饱和液态有机氢载体与氢的一对可逆反应(即加氢反应和脱氢反应)以实现氢的储存和释放。液态有机氢载体储氢安全方便，在常温常压下即可稳定存储运输，并且可以最大程度利用当前已有的石油化工等基础设备，适用于大规模长距离运输，质量储氢密度达到6.5wt％～8.5wt％。目前，进行广泛研究的液态有机氢载体包括甲苯、苯、萘、N-乙基咔唑和二苄基甲苯等。
参照图1，一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，包括氢化物与氢载体储箱，氢化物预热器，脱氢反应器，氢气分配装置，氢内燃机，氢燃料电池，热量交换系统，氢载体冷却系统和氢气冷却系统。
如图1所示，氢化物与氢载体储箱的氢化物出口与第一油泵的入口连接，第一油泵的出口通过第一管路与氢化物预热器的冷流体入口连接，氢化物预热器的冷流体出口通过第二管路与脱氢反应器的进料口连接。脱氢反应器的氢载体出口通过第三管路与氢化物预热器的热流体入口连接，第三管路上设置有第二油泵；氢化物预热器的热流体出口通过第四管路与氢载体冷却器入口连接，氢载体冷却器出口通过第五管路与氢化物与氢载体储箱的氢载体入口连接；
脱氢反应器的气相出口通过第六管路与氢气冷却器入口连接，氢气冷却器的出口通过第七管路与氢气压缩机的入口连接，氢气压缩机的出口通过第八管路与氢气分配装置的入口连接，氢气分配装置的第一出口通过第九管路与氢内燃机连接，氢气分配装置的第二出口通过第十管路与氢燃料电池连接。氢内燃机余热通过热量交换系统被送入到脱氢反应器中维持脱氢反应进行。
工作原理为：
氢化物在第一油泵作用下，由氢化物与氢载体储箱的氢化物出口经第一管路进入氢化物预热器的冷流体入口，换热后由氢化物预热器的冷流体出口流出并经第二管路进入脱氢反应器进料口进行脱氢反应。脱氢反应产生氢气和氢载体两种物质。氢载体由脱氢反应器液相出口流出并在第二油泵作用下经第三管路进入氢化物预热器的热流体入口，换热后从氢化物预热器的热流体出口流出，经过第四管路进入氢载体冷却器入口，冷却至环境温度后从氢载体冷却器出口流出，经第五管路流入氢化物与氢载体储箱的氢载体入口。脱氢反应产生的氢气由脱氢反应器气相出口流出，经过第六管路进入氢气冷却器入口，冷却至燃料电池工作温度后，经氢气冷却器出口流出，然后经过第七管路进入氢气压缩机，氢气压缩机加压后，经过第八管路进入氢气分配装置，在车辆控制系统的控制下，部分氢气经过第九管路进入氢内燃机，另一部分经过第十管路进入氢燃料电池。氢内燃机的余热通过热量交换系统被送入到脱氢反应器中维持脱氢反应的进行。
氢内燃机和氢燃料电池在车辆控制系统的控制下，可以同步为车辆提供混合动力，也可交替运行为车辆提供动力。当氢气缓存罐未储满并且行驶于复杂路况时或其他需要较强动力时，可以由氢内燃机和氢燃料电池共同为车辆提供动力。当氢气缓存罐未储满并且行驶于平稳路况时，可以由氢内燃机单独为车辆提供动力。当氢气缓存罐储满并且汽车行驶于平稳路况时，可以使氢内燃机关机，由氢燃料电池单独为车辆提供动力。
氢化物与氢载体储箱用于储存脱氢反应前的氢化物和脱氢反应后的氢载体。
图2所示，氢化物与氢载体储箱由外部硬质壳体1与内部氢化物油包11和氢载体油包12组成，氢化物弹性油包11和氢载体油包12均由弹性材料制成，能够随着氢化物的减少和氢载体的增加而进行收缩和膨胀，增大车辆空间的利用率。当汽车加注氢化物后，氢化物弹性油包11处于最大膨胀状态，几乎占据整个氢化物与氢载体储箱内部空间，在汽车行驶过程中，氢化物不断被消耗，转化为氢载体，氢化物弹性油包逐渐收缩，氢载体弹性油包逐渐膨胀。汽车在加注站中将氢载体弹性油包中的氢载体抽出，并将新的氢化物重新加注到氢化物弹性油包中。氢化物预热器用于氢化物脱氢反应前的预热，并回收脱氢反应所产生的氢载体的余热。
脱氢反应器用于氢化物进行脱氢反应产生氢气和氢载体。
如图3所示，氢气分配装置包括氢气缓存罐，信号传感器，第一流量计，第二流量计，第一电磁阀，第二电磁阀和氢气管路。
氢气缓存罐通过第九管路和氢内燃机连接，第九管路上安装有第一流量计和第一电磁阀；氢气缓存罐通过第十管路和氢燃料电池连接，第十管路上安装有第二流量计和第二电磁阀。信号传感器、第一流量计、第二流量计、第一电磁阀和第二电磁阀均与车辆控制系统连接。第一流量计用于测量通向氢内燃机的氢气流量，第二流量计用于测量通向氢燃料电池的氢气流量。
氢气缓存罐用于储存脱氢反应产生的氢气，信号传感器用于实时监测氢气缓存罐中氢气的多少，在两个流量计和车辆控制系统的配合下，通过控制操作第一电磁阀和/或第二电磁阀的开启或关闭，将氢气合理分配至氢内燃机和氢燃料电池。
在车辆控制系统的控制下，通过氢气分配装置将氢气同时分配至氢内燃机和氢燃料电池，为车辆提供动力。也可以先将一部分氢气分配至氢内燃机，另一部分氢气储存在氢气缓存罐中，氢内燃机关机后，将所有氢气分配至燃料电池，氢气缓存罐中的氢气消耗至一临界值时，氢发动机开机，继续一个循环，氢内燃机和氢燃料电池交替工作，为车辆提供动力。
如图4所示，热量交换系统包括热交换器、气体管路、导热油管路、第三油泵和第四油泵，热交换器的热流体入口通过第一气体管路和氢内燃机的进口连接，热流体出口连接第二气体管路；冷流体入口通过第一导热油管路和脱氢反应器的进口连接，冷流体出口通过第二导热油管路连接脱氢反应器的内部盘管。其中，第一导热油管路上设置有第三油泵，第二导热油管路上设置有第四油泵。
热量交换系统的工作原理为：氢内燃机所产生的高温尾气通过第一气体管路进入换热器热流体入口，低温导热油在第三油泵作用下经过第一导热油管路进入热交换器冷流体入口，二者在热交换器中进行热量交换，高温导热油从热交换器冷流体出口流出，在第四油泵作用下，经过第二导热油管路进入脱氢反应器内部盘管，与氢化物换热。低温尾气从热交换器热流体出口流出，经过第二气体管路排出。通过热量交换系统，氢内燃机余热传递至脱氢反应器中维持脱氢反应的进行。
如图1和图5所示，氢载体冷却系统包括风机1、氢载体冷却器和氢化物管路。第一风机设置在氢载体冷却器旁，在第一风机的作用下，经过第四管路流入氢载体冷却器的氢载体被进一步冷却至环境温度，然后经过第五管路流入氢化物与氢载体储箱的氢载体入口。
如图1和图6所示，氢气冷却系统包括第二风机，氢气冷却器和气体管路，第二风机设置在氢气冷却器旁，在第二风机的作用下，经过第六管路流入氢气冷却器的氢气被冷却至燃料电池工作温度，然后经过第七管路进入氢气分配装置。
在使用前，需要对本系统进行加氢。如图7所示，加氢过程为：氢气经过压缩机被增压至加氢反应压力，在氢气预热器中被加热后送入到加氢反应器中；同时，氢载体在氢载体预热器中被加热后进入到加氢反应器中，二者在加氢反应器中继续被加热至反应温度，发生加氢反应，氢载体加氢后成为氢化物。由于加氢反应是剧烈的放热反应，因此通过循环水来吸收反应余热，并将余热用于氢气预热器中氢气加热。氢化物经过氢载体预热器被回收部分余热后，送入氢化物冷却器中冷却至环境温度，然后进入氢化物储罐。经过罐车转运，氢化物被送入加注站，然后被加注到车辆中。
如图1所示，在车载系统中，氢化物与氢载体储箱中的氢化物经过氢化物预热器被加热，然后进入到脱氢反应器中被继续加热至反应温度进行脱氢反应。脱氢反应产生氢气和氢载体两种物质。氢载体由脱氢反应器液相出口流出并进入氢化物预热器回收部分余热，换热后进入氢载体冷却至环境温度后回到氢化物与氢载体储箱的氢载体弹性油包。脱氢反应产生的氢气由脱氢反应器气相出口流出，经过氢气冷却器冷却至燃料电池工作温度后，进入氢气压缩机加压，然后进入氢气分配装置，在车辆控制系统的控制下，部分氢气进入氢内燃机，另一部分进入氢燃料电池。氢内燃机余热通过热量交换系统被送入到脱氢反应器中维持脱氢反应的进行。
实施方案：
选用苯，甲苯，萘，咔唑，乙基咔唑，二苄基甲苯，1-甲基吲哚，吖啶，二苯基甲烷，联苯等十种液态有机氢载体分别作为氢内燃机和氢燃烧器的燃料进行了能效计算，计算结果如图8和图9所示。通过对比，本发明相比于直接将氢气燃烧为脱氢反应器供热，系统能效提升了6.98％～9.27％，车辆输出动力提升了16.4％～27.8％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，包括氢化物与氢载体储箱，氢化物预热器，脱氢反应器，氢气分配装置，氢内燃机、氢燃料电池和热量交换系统；
所述氢化物与氢载体储箱的氢化物出口通过第一管路与氢化物预热器的冷流体入口连接，氢化物预热器的冷流体出口通过第二管路与脱氢反应器的进料口连接；脱氢反应器的氢载体出口通过第三管路与氢化物预热器的热流体入口连接；氢化物预热器的热流体出口通过第四管路与氢化物与氢载体储箱的氢载体入口连接；
脱氢反应器的气相出口通过第六管路与氢气压缩机的入口连接，氢气压缩机的出口通过第八管路与氢气分配装置的入口连接，氢气分配装置的第一出口通过第九管路与氢内燃机连接，氢气分配装置的第二出口通过第十管路与氢燃料电池连接；所述和脱氢反应器之间设置有热量交换系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述氢化物与氢载体储箱包括壳体(1)，所述壳体(1)中设置有氢化物油包(11)和氢载体油包(12)，所述氢化物弹性油包(11)和氢载体油包(12)均由弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述氢气分配装置包括氢气缓存罐，信号传感器，第一流量计，第二流量计，第一电磁阀、第二电磁阀和氢气管路；氢气缓存罐通过第九管路和氢内燃机连接，第九管路上安装有第一流量计和第一电磁阀；氢气缓存罐通过第十管路和氢燃料电池连接，第十管路上安装有第二流量计和第二电磁阀；所述信号传感器、第一流量计、第二流量计、第一电磁阀和第二电磁阀均与车辆控制系统连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述热量交换系统包括热交换器、第一气体管路、第二气体管路、第一导热油管路和第二导热油管路，热交换器的热流体入口通过第一气体管路和氢内燃机的进口连接，热流体出口连接第二气体管路；热交换器的冷流体入口通过第一导热油管路和脱氢反应器的进口连接，冷流体出口通过第二导热油管路连接脱氢反应器的内部盘管。
5.根据权利要求4所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述第一导热油管路上设置有第三油泵，所述第二导热油管路上设置有第四油泵。
6.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述氢化物预热器与氢化物与氢载体储箱之间设置有氢载体冷却系统，所述氢载体冷却系统包括第一风机和氢载体冷却器，所述第一风机设置在氢载体冷却器旁。
7.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述脱氢反应器和氢气压缩机之间设置有氢气冷却系统，所述氢气冷却系统包括第二风机和氢气冷却器，所述第二风机设置在氢气冷却器旁。
8.根据权利要求1所述的一种基于液态有机氢载体储氢技术的车载混合动力系统，其特征在于，所述氢载体为苯，甲苯，萘，咔唑，乙基咔唑，二苄基甲苯，1-甲基吲哚，吖啶，二苯基甲烷，联苯中的一种或几种的混合物。
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